大学物理量子力学初步01黑体辐射和普朗克假设.ppt

1,量子论的发展,十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。,由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础。特别是麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实。牛顿、惠更斯和菲涅耳建立光学，纳入电动力学,首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学,通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的努力，建立了热力学和统计力学.,2,当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现.当时赫赫有名权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，(1)热辐射现象中的紫外灾难，(2)否定绝对时空观的迈克尔逊-莫雷实验，,3,这些内容统称为量子物理学。,事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难的境地.在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱-量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学。,4,量子论的发展阶段,1990年 普朗克 量子假说 1905年 爱因斯坦 光量子假说 1913年 玻尔 原子理论,5,量子论的发展,1900年 普朗克（德国人）1918年获诺贝尔物理学奖 1900年12月14日 量子论的诞生日提出量子假说（能量不是连续的）解释黑体辐射谱分布 被称为量子论之父,6,量子论的发展,爱因斯坦1921年获诺贝尔物理学奖 光量子假说 成功解释了光电效应 康普顿X散射实验进一步验证了光量子假说。,7,光电效应,康普顿散射,8,量子论的发展,玻尔 丹麦1922年获诺贝尔物理学奖 原子的结构模型 玻尔将量子推进到原子物理学中，提出了电子角动量的量子化条件和量子跃迁理论，提出互补原理卢瑟福散射实验 夫兰克赫兹（1914年）实验,9,卢瑟福散射实验是现代核物理学的基石,10,黑体辐射与普朗克的量子假说,描述热辐射的物理量,黑体和黑体辐射的基本规律,经典物理学所遇到的困难,普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式,量子假说的含义及其与宏观现象的关系,11,分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射(heat radiation)。,热辐射的电磁波能量对频率有一个分布。频率分布跟温度有关,例如加热铁块，随着温度的升高:开始不发光,黑体辐射,12,温度为T 时,单位时间内从物体单位表面发出的 频率 在 附近单位频率区间内的电磁波的能量,称为光谱辐出度M(T),1.光谱辐(射)出(射)度,M单位-W/(m2Hz),dE 温度为T 时,单位时间内从物体单位表面发出的频率在+d 间隔内的电磁波的能量。,M(T)描述热辐射能量按频率的分布。,一.描述热辐射的物理量,13,M 的单位为W/m2,3.光谱吸收比,以上这些物理量均与物体种类及其表面情况有关。,（T）温度为T 时,（单位时间内）入射到物体（单位表面）的,频率在+d 间隔内的电磁波的能量被物体吸收的百分比。,2.总辐出度,14,此时物体具有固定的温度。,我们下面只讨论平衡热辐射的情况。,物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为平衡热辐射。,热辐射的情况与物体种类及其表面有关，太复杂了，怎么去研究热辐射的规律呢？,提出“理想模型”的方法。,平衡热辐射,15,1.黑体,维恩设计的黑体：,黑体,这小孔（黑体）能 吸收各种频率 的电磁波。,黑体的光谱吸收比(T)=1-理想模型。,为不透明材料的空腔 开的一个小孔。,能完全吸收照射到它上面的各种频率电磁波的物体，称为黑体。,二.黑体和黑体辐射的基本规律,16,而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及 表面状态 都无关，是最好的研究对象。,研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领 M 只与频率、温度有关，而和材料及表面状态 无关的物体。,黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大。,2.研究黑体辐射的实验装置示意图,热电偶(测 M(T),光栅光谱仪（或棱镜光谱仪）,17,=5.6710-8 W/（m2K4）,黑体辐射光谱中辐射最强的频率m与黑体温度T 之间满足正比关系,C=5.881010 Hz/K,总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比,4维恩位移定律（实验定律）,3斯特藩玻耳兹曼定律（实验定律）,18,例。若视太阳为黑体，,测得,可得,斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移律是测量高温、遥感和红外追踪等技术的物理基础。,b=2.89810-3mK,辐射最强的频率m与黑体温度T 之间满足反比关系,19,5、黑体辐射的应用,（1）.测量黑体温度,在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。,（2）.光学高温计-光测高温,目镜,20,-如何解释黑体辐射实验曲线？,其中最典型的是维恩公式 和瑞利金斯公式：,黑体内的驻波,经典理论导出的M(T)公式都与实验结果不符合！,三.经典物理学所遇到的困难,21,（1）维恩公式（非前面的维恩位移定律）他假定驻波能量按频率的分布类似于（经典的）麦克斯韦速度分布率。得,（2）瑞利金斯公式 瑞利将原子的振动看作谐振子能量为 kT（经典的能量均分定理），得,在低频段（长波段）尚好；高频段(紫外区)与实验明显不符，短波极限为无限大“紫外灾难”！,在高频段(短波段）好；低频段（长波段）明显偏离实验曲线！,22,23,1.普朗克假设（1900年）,普朗克(1858-1947年),即物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子”方式进行。,普朗克认为空腔黑体的热平衡状态，是组成腔壁的带电谐振子不断发射和吸收电磁波的平衡状态。,他认为谐振子的能量 E 只能是离散值（不连续！）,他把每个E值都称为能量子。,四.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式,24,1900.12.14.-量子论诞生日。,普朗克在德国物理学会上报告了与全波段实验 结果极为符合的普朗克公式：,h 称为普朗克常数。,普朗克当时根据黑体辐射实验得出 h=6.358 10-34 Js现在计算用值：h=6.63 10-34 Js,2.普朗克公式,25,普朗克公式与实验结果的比较,M,瑞利金斯公式,维恩公式,实验曲线,普朗克公式与实验结果的比较,26,“在科学史上很难找到其它发现能象普朗克的,产生如此非凡的结果。,基本作用量子一样在仅仅一代人的短时间里,这个发现将人类的观念,不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通,普朗克本人在若干年内也有过很多的困惑和彷徨,能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！,常思维方式的观念的基础砸得粉碎，”,玻尔对普朗克量子论的评价：,27,“在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是,以伟大的创造性观念造福于世界的人。”,为了满足智力上的快感；有人是为了纯粹功利的,目的，而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那,些普遍的基本规律，他成了一个,普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。,28,为什么在宏观世界中,观察不到能量分离的现象?,例：设想一质量为 m=1g 的小小珠子悬挂在 一个小小的轻 弹簧下面作振幅 A=1mm的谐振动。弹簧的小小劲度系数为 k=0.1N/m。,量子论是不附属于经典物理的，是全新的理论，适用范围更广。,能量子,按量子理论计算，此弹簧振子的能级间隔多大？改变一个能级时,振动能量的相对变化是多少？,五.量子假说的含义及其与宏观现象的关系,29,能级间隔,振子现有能量,相对能量变化,这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来。现在能达到的最高的能量分辨率为：,所以宏观的能量变化看起来都是连续的。（关键：h 太小）,【解】弹簧振子的频率,